【摘要】：硅基材料具有4200 mAh·g~(-1)的高理論比容量和0.37 V vs.Li/Li~+的低脫鋰電位,是非常有潛力的高性能鋰離子電池負(fù)極材料。但是硅基材料在嵌/脫鋰時(shí)伴隨著高達(dá)400%的體積變化,導(dǎo)致硅顆粒的破碎、粉化,使電極材料失去電活性,這嚴(yán)重阻礙了硅基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的商業(yè)化。碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、出色的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性和獨(dú)特的物理性能,并且來(lái)源廣泛、生產(chǎn)成本較低,因此常用作制備硅基復(fù)合材料的首選基底。硅碳復(fù)合材料不僅可以提高硅的導(dǎo)電性,還可以有效抑制硅的體積膨脹,防止硅納米顆粒的團(tuán)聚,促進(jìn)形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(SEI)膜,進(jìn)而提高電極的庫(kù)倫效率、充放電比容量、循環(huán)性能以及倍率性能等�；趯�(duì)上述硅基材料和碳材料的分析研究,本文通過(guò)測(cè)定不同熱解碳的硬度、摩擦系數(shù)、抗磨損能力等機(jī)械性能,以及制備硅碳復(fù)合材料測(cè)定其電化學(xué)性能,來(lái)研究熱解碳機(jī)械性能對(duì)硅碳復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響,并且探索新型的硅碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu),制備循環(huán)壽命高、儲(chǔ)鋰容量大的硅碳負(fù)極材料,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)制備高性能硅基儲(chǔ)能材料提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)與思路。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)以蔗糖、葡萄糖、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-7)分別作為碳源制備了不同的熱解碳,測(cè)定了熱解碳的硬度、摩擦系數(shù)以及抗磨損能力等機(jī)械性能并成功制備出不同的硅碳復(fù)合材料。結(jié)果表明,摩擦系數(shù)小、抗磨損能力強(qiáng)、硬度大的AEO-7熱解碳有利于提高硅碳復(fù)合材料的循環(huán)壽命。同時(shí)發(fā)現(xiàn)單一碳源包覆無(wú)法完全解決Si的體積膨脹問(wèn)題,抑制/容納硅的體積效應(yīng)需要多種碳源的協(xié)同作用以及制備具有多孔結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料。(2)設(shè)計(jì)并制備了一種新型的具有3D多孔鳥(niǎo)巢結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料Si@SiO_x/CNTs@C。結(jié)果表明,脂肪醇聚氧乙烯醚作為一種表面活性劑,有效的降低了Si NPs的表面張力,提高了Si NPs的分散性,同時(shí)作為碳源生成的熱解碳與預(yù)氧化處理生成的SiO_x層有效抑制了Si NPs在鋰化/去鋰化過(guò)程中的體積效應(yīng),促進(jìn)了形成穩(wěn)定的SEI膜。另外,碳納米管、石墨以及熱解碳形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)增加了整個(gè)電極的導(dǎo)電性,也形成了豐富的孔隙結(jié)構(gòu),有利于電解液的快速滲透和鋰離子的快速傳導(dǎo)。該復(fù)合材料在0.42 A·g~(-1)的電流密度下充放電循環(huán)700次后比容量可以保持在1740 mAh·g~(-1)以上,與初始容量相比沒(méi)有衰減;在4.2 A·g~(-1)的大電流密度下復(fù)合材料的可逆比容量也可達(dá)到450 mAh·g~(-1)以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。(3)通過(guò)水熱法制備了具有多重緩沖結(jié)構(gòu)的Si@C微球復(fù)合材料。檸檬酸鐵作為一種精心選擇的碳源,采用熱解和淋洗處理可以直接制備介孔碳。具有SiO_x層的Si NPs被均勻的封裝在介孔碳層中,介孔碳層和SiO_x層具有一定的韌性可以抑制Si NPs的體積膨脹。同時(shí)介孔碳層中豐富的孔結(jié)構(gòu)可容納Si NPs的體積膨脹,并有效增加電解液對(duì)材料的浸潤(rùn)性;碳納米管具有高的導(dǎo)電性和良好的力學(xué)強(qiáng)度,其形成的支撐網(wǎng)絡(luò)能夠緩沖Si@C微球的體積膨脹,提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和抗疲勞性。具有多重緩沖結(jié)構(gòu)的Si@C電極在0.42 A·g~(-1)的電流密度下具有2956/4197 mAh·g~(-1)的高初始充電/放電比容量,在2.1 A·g~(-1)的大電流密度下循環(huán)800次以后容量仍然可保持在1127 mAh·g~(-1)以上,展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和出色的倍率性能。
【圖文】：

鋰離子電池工作原理圖

硅負(fù)極失效機(jī)制：（a）材料粉化，，（b）SEI膜不穩(wěn)定
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;TB33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2686147